射線槍讓科學(xué)家用光代替 DNA 來區(qū)分植物種群

在《星際迷航》中，角色攜帶一個(gè)稱為三錄儀的小型手持設(shè)備，可以指向物體進(jìn)行分析和識(shí)別。當(dāng)該節(jié)目的作者在 1960 年代構(gòu)思這個(gè)想法時(shí)，這純粹是科幻小說，但新植物學(xué)家的一篇新論文使這個(gè)想法更接近現(xiàn)實(shí)。研究人員使用一種看起來有點(diǎn)像射線槍的手持設(shè)備來記錄阿拉斯加不同山脈上的植物葉子如何反射光線。而且，事實(shí)證明，同一物種的不同植物種群——例如，生活在鄰近山頂?shù)闹参?mdash;—反射光的方式不同，它們的遺傳變異相互呼應(yīng)。

“雖然訓(xùn)練有素的生物學(xué)家通?？梢宰哌M(jìn)現(xiàn)場(chǎng)并用他們的眼睛識(shí)別物種，但需要昂貴的遺傳分析來揭示種群——基因庫中同一物種的個(gè)體群體——這對(duì)保護(hù)和進(jìn)化研究非常重要，”。芝加哥菲爾德博物館的博士后研究員、該研究的共同主要作者道森懷特說。“在這項(xiàng)新研究中，我們已經(jīng)證明您可以使用光代替 DNA 來定義植物種群，而且細(xì)節(jié)水平相似。這種新方法比基因檢測(cè)更快、更便宜，這可以大大提高我們繪制和監(jiān)測(cè)生物多樣性的效率。”

“DNA 就像一本關(guān)于如何構(gòu)建有機(jī)體的說明手冊(cè)，事實(shí)證明，該手冊(cè)包含構(gòu)建和組合構(gòu)成該有機(jī)體的最小單個(gè)部分的說明，”倫敦大學(xué)研究生研究員 Lance Stasinski 說。緬因州和該論文的另一位共同主要作者。“我們能夠使用從這些部件反射的光來確定使用哪個(gè)說明手冊(cè)來構(gòu)建生物體——即使說明手冊(cè)僅相差幾個(gè)字。”

所有生物都含有DNA，兩個(gè)生物的DNA越相似，它們之間的關(guān)系就越密切。物種之間和物種內(nèi)部都是如此——你的 DNA 更類似于黑猩猩而不是狗，因?yàn)槲覀兣c黑猩猩的關(guān)系更密切，而且你的 DNA 更接近于你的表親，而不是與另一邊的隨機(jī)陌生人的 DNA 更接近。世界。植物也是如此：即使在一個(gè)物種內(nèi)，從一個(gè)種群到另一個(gè)種群的 DNA 也存在差異。

遺傳研究表明，有時(shí)這些變異以非常精細(xì)的尺度出現(xiàn)——例如，一個(gè)山頂上一個(gè)物種的植物可以形成與幾英里外山頂上植物略有不同的 DNA 的群體。當(dāng)種群像這樣分裂時(shí)，這意味著它們不會(huì)彼此共享花粉或種子，并且在基因上是孤立的。

科學(xué)家們研究 DNA 中的這些差異以區(qū)分一個(gè)植物種群，但這是一項(xiàng)艱巨的任務(wù)——他們必須收集植物樣本，儲(chǔ)存它們，獲得許可將它們轉(zhuǎn)移到實(shí)驗(yàn)室，然后通過許多步驟進(jìn)行實(shí)際測(cè)序植物的遺傳密碼并進(jìn)行比較。這是一個(gè)需要數(shù)周甚至數(shù)月的過程。然而，在這項(xiàng)新研究中，研究人員發(fā)現(xiàn)了另一種方法來確定兩種植物種群之間的親緣關(guān)系，這種方法最終幾乎可以立即在野外完成。這就是射線槍的用武之地。

光譜輻射計(jì)是測(cè)量從表面反射多少光以及光包含哪些波長(zhǎng)的儀器。儀器本身可以裝在背包里，還有一個(gè)手持探頭連接到一根看起來像一個(gè)小射線槍的光纖電纜上。農(nóng)業(yè)科學(xué)家使用這些儀器分析從葉子反射回來的光以檢測(cè)疾病。但這項(xiàng)新研究表明，從葉子反射的光線因植物種群而異。

“葉子已經(jīng)進(jìn)化為與光相互作用，這些機(jī)器在光子進(jìn)入葉子并根據(jù)不同的化學(xué)和結(jié)構(gòu)被吸收或反彈后記錄光的差異，”懷特解釋道。“該儀器讀取從葉子反射回來的可見光和紅外光，這些信息可以為您提供有關(guān)葉子化學(xué)和結(jié)構(gòu)的大量信息。”

懷特和他來自 Schoodic 研究所和緬因大學(xué)的同事將光譜儀帶到阿拉斯加的高山棲息地，研究一種名為Dryas的小型常綠灌木。然后他們掃描了植物的葉子并收集了植物樣本，以便他們稍后分析 DNA。

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